Растения с красными стеблями встречаются крайне часто, однако функции стеблевых антоцианов в основном неизвестны.
Возможность того, что фотоуменьшение антоцианинами в перидереме снижает склонность к фотоингибированию при кортикальной хлоренхиме, была проверена на Cornus stolonifera. Антоцианины индуцировались в зеленых стеблях под воздействием полного солнечного света. Квантовые выходы PSII и коэффициенты фотохимического гашения были менее выраженными в красном, чем в зеленых стеблях, как при наклоне света, так и после длительного воздействия насыщающего белого света. Эти различия были в первую очередь связаны с ослаблением PAR, от антоцианов. Тем не менее, красные междоузлия также имели меньше хлорофилла и более высокие соотношения каротиноид: хлорофилл, чем зеленые, когда антоциановая перидерм была удалена, небольшие различия в фPSII лежащей в основе хлоренхимы сохранялись. Таким образом, экранирование света стеблевыми антацианинами важно, но является лишь частью набора защитных приспособлений к высокой освещенности. Почасовые измерения фPSII на установленных деревьях при естественном дневном освещении указывает на возможное преимущество красных по сравнению с зелеными стеблями при насыщенном рассеянном свете, но не под прямым солнечным светом. Чтобы судить о более широкой применимости гипотезы, ответы на высокую освещенность сравнивались для красных и зеленых стеблей у пяти других не родственных видов. Наблюдалась сильная, линейная, межвидовая корреляция между фотозащитным преимуществом и разницей концентрации антоцианов среди красных и зеленых междоузлий.
У многих растений стебли бывают окрашены в красный цвет, хотя их листья могут быть зелеными. Стебли могут быть полностью красными или, чаще, окрашены в красный цвет только в базальных или апикальных областях побега. У некоторых видов красный пигмент ограничен междоузлиями или только узлами; в других он локализуется вокруг ран, желез или чечевиц по всему стволу. Вариация очевидна у гетеробластных растений, таких как Hedera helix, которые производят красные стебли только на своих ювенильных стадиях. Красная окраска может также развиваться в зеленых стеблях в ответ на абиотические стрессоры, такие как засуха, низкие температуры, ультрафиолетовое излучение, или высокие соотношения красного света.
Антоцианины являются пигментами, ответственными за красную окраску в стеблях большинства травянистых видов, хотя некоторые представители Caryophyllales продуцируют беталаины, а в древесных стеблях могут быть задействованы проантоцианидины, лигнины и несколько мелких пигментов.
Эти пигменты чаще всего локализуются в эпидермальных и/или субэпидермальных тканях стебля. Несмотря на обилие видов растений с красными стеблями, существует удивительная нехватка информации о возможных функциях стеблевых антацианинов. Насколько нам известно, только одно исследование явно решило эту проблему: антоцианины в стеблях (и черешках) Ambrosia chamissonis убедительно продемонстрировали поглощение квантов, которые иначе могли бы разрушить тиарубрин-А, мощный, но фотолабильный защитный состав. Однако для большинства видов растений, которые не содержат тиарубрины, функциональное значение антоциановых стеблей никогда не исследовалось.
Красные листья, напротив, вызвали бурные научные дебаты в последние годы. Среди основных функциональных гипотез для присутствия антоцианов в листьях является фотозащита хлоропластов; в условиях насыщенного света антоцианы потенциально смягчают фотоингибирующее и фотоокислительное повреждение, поглощая часть избытка фотонов в соответствии с требованиями световых реакций фотосинтеза. Эта гипотеза, по-видимому, не применяется в равной степени ко всем растениям с красной листвой; сообщалось об исключениях, и были предложены альтернативные функциональные гипотезы, такие как роль в защите от травоядных животных. Однако эмпирическая поддержка фотозащитной гипотезы сильна для многих видов. Особенно убедительные доказательства фотозащиты были представлены при сравнении кинетики флуоресценции хлорофилла антоциановых и бледных стареющих листьев Cornus stolonifera. Воздействие насыщающего света привело к 60% снижению фотохимического квантового выхода PSII для красных листьев C. stolonifera, и почти к 100% сокращению в бледных листьях. Когда они были возвращены в темноту, красные листья быстро восстанавливались до своего максимального значения, однако бледные листья не достигают уровня предварительной обработки даже после 6 часов. Аналогичные различия были отмечены между зелеными и антоциановыми листьями у вечнозеленых трав Galax urceolata. Таким образом, листовые антоцианы обладают потенциалом как для уменьшения выраженности хронического фотоингибирования, так и для ускорения восстановления.
Возможно, что фотозащита хлоропластов может в равной степени объяснить присутствие антоцианов в некоторых стеблях. Кортикальная хлоренхима в стеблях структурно сходна с палисадными клетками и/или губчатым мезофиллом в листьях, а фотосинтез стеблей может вносить значительный вклад в прирост углерода растениями. Более того, было показано, что как древесные, так и травянистые стебли подвержены фотоингибирующему снижению усвоения углерода в определенные периоды года. В этой статье проверяется гипотеза о том, что экранирование света антоцианинами в стеблях связано с улучшенной квантовой эффективностью PSII в условиях насыщеного света. Используя Cornus stolonifera в качестве основного вида, описывается индукция антоцианов и их влияние на светопропускание через перидерм, и сравнивается флуоресценция хлорофилла красных и зеленых стеблей после воздействия сильного света при двух температурах.
Четыре набора данных, представленных здесь, убедительно свидетельствуют в пользу фотозащитной роли антоцианов в стеблях. Во-первых, уровни антоцианов значительно увеличились в междоузлиях, которые были расположены горизонтально и находились под полным солнечным светом в разгар лета.
Во-вторых, антоцианы в перидереме резко снижали количество PAR, передаваемого в кортикальную хлоренхиму. В-третьих, как для вертикальных, так и для горизонтальных стеблей фPSII был значительно менее выражен в красном, чем в зеленых участках междоузлия после длительного воздействия насыщающего белого света при 4 ° С или 22 ° С. Наконец, что наиболее убедительно, фотозащитное преимущество красных и зеленых стеблей было прямо пропорционально разнице в содержании антоцианов у пяти из шести исследованных видов. По сравнению с листьями, древесные стебли могут иметь уменьшенную способность использовать поглощенные кванты в фотосинтезе, так и рассеивать избыточную световую энергию в виде тепла. Это связано с тем, что в отсутствии устьиц высокие концентрации CO2 в пределах от 1 до 26% могут накапливаться в кортикальной хлоренхиме; это, в свою очередь, вызывает подкисление стромы хлоропластов, что ингибирует активность некоторых ферментов цикла Кальвина и может нарушать цикл ксантофилла для нефотохимического рассеивания энергии. В соответствии с этой гипотезой значения ФPSII и qP для зеленых стеблей C. stolonifera были ниже, чем для зеленых листьев при ненасыщенном освещении. Напротив, эти параметры были удивительно похожи между красными стеблями и зелеными листьями. Красные стебли, очевидно, лучше приспособлены для работы с избыточными падающими фотонами, что повышает их фотохимические свойства по сравнению с зелеными листьями. То, что различия в фотозащите были измеримыми между красными и зелеными областями одного и того же стебля, указывает на ответ, независимый от генотипической изменчивости. Тем не менее, этими двумя областями манипулировали так, что они развивались в существенно различных световых условиях, и их фотосинтетические свойства могли быть обусловлены множеством акклимативных признаков, совершенно отличных от возможных эффектов антоцианов.
Действительно, красные стебли C. stolonifera имели более низкие концентрации общего хлорофилла и большее отношение каротиноидов к хлорофиллам, которые характерны для акклиматизированных на солнце растений. Более того, когда перидерм и другие антоциановые ткани были удалены, лежащая в основе хлоренхима у красных стеблей продолжала демонстрировать небольшое преимущество в ФPSII по сравнению с хлоренхимой у зеленых. Однако при наличии антоцианинов наблюдались гораздо большие различия в ФPSII между красными и зелеными стеблями. Также следует отметить, что значения NPQ были неизменно ниже для красных стеблей, чем для зеленых стеблей (или зеленых листьев) при ненасыщенном освещении. Таким образом, антоцианы в стеблях важны, но они являются лишь частью полного набора биохимических и физиологических акклиматизаций к высокой освещенности, которая в красных стеблях включает усиление всех механизмов фотозащиты. В совокупности это уменьшает давление возбуждения на хлоропласты, так что активность фермента цикла Кальвина, хотя и частично ингибируемая подкислением стромы, может адекватно использовать электроны для восстановления углерода.
Интересно, что среди протестированных видов листы без старения были обычно бледными (зелеными), хотя их поддерживающий стебель был частично или полностью антоциановым. Действительно, в целом красные стебли встречаются гораздо чаще, чем красные листья. Большинство листьев, конечно, имеют обильные устьицы, а также множество механизмов для устранения нештатных квантов, и поэтому вряд ли столкнутся с проблемами, связанными с подкислением стромы, в той же степени, что и у стеблей. Это также говорит о том, что должны существовать существенные различия во внутренней биохимической среде (и, возможно, анатомической структуре) между стеблями, которые способны покраснеть, и теми, которые этого не делают, поскольку последние должны иметь альтернативные средства, чтобы противостоять сильному световому стрессу.
Тесное соответствие на кривых блеска для фотохимического выхода в красных и зеленых стеблях после учета различий в коэффициенте пропускания через перидерм указывает на то, что антоцианы, вероятно, способствуют фотозащите косвенно, уменьшая падающие квантовые потоки, а не каким-либо прямым механизмом. Альтернативная гипотеза о том, что антоцианы защищают тилакоидные мембраны от окисления посредством очистки от промежуточных соединений активного кислорода, кажется невероятной, учитывая, что красные пигменты, по большей части, расположены на некотором расстоянии от корковых хлоропластов, и большинство видов реактивного кислорода не распространяется свободно через клеточные мембраны или клеточные стенки. Третья возможность, что антоцианы оптимизируют фотосинтез за счет повышения температуры ствола, не была подтверждена измерениями температуры на месте. Напротив, простая процедура закрепления зеленого стебля в красной поликарбонатной пленке, оптика которой приближалась к антоцианину, снижала фотоингибирование на 16%. Пленка уменьшала поток зеленого света, падающего на стебель, но не изменяла пропускание красного света.
Это важный результат, потому что фотозащитная гипотеза (в том, что касается красных осенних листьев) ранее подвергалась критике на том основании, что антоцианы поглощают те диапазоны волн, которые наименее используются хлорофиллами, и, следовательно, будут неэффективны в борьбе с фотоингибированием. Антоцианы сильно поглощают зеленый и желтый свет с максимумами поглощения in vivo в диапазоне от 537 до 542 нм и, как и у красных листьев, присутствие антоцианов в стеблях существенно снижает количество зеленого света, передаваемого в нижележащую хлоренхиму. Вопреки аргументам противников фотопротективной гипотезы, зеленый свет неоднократно приводил к фотосинтезу, особенно в нижних слоях мезофилла; Недавний анализ показал, что зеленый свет более эффективен, чем красный, для стимулирования фотосинтеза, когда листья облучаются сильным белым светом. Таким образом, поглощение зеленых квантов перидермальными антоцианинами, несомненно, может модулировать такие реакции фотосинтеза. Различия в их фотозащитной способности, по-видимому, выражаются в фотосинтетическом преимуществе красного по сравнению с зеленым в стеблях C. stolonifera in situ.
Важное значение имеет демонстрация преимущества антоцианов в естественных условиях; спектральный выход от ламп, обычно используемых в экспериментах по фотоингибированию, может значительно отличаться от такового от солнечного света, что может привести к недооценке естественного воздействия антоцианов на экранирование зеленого света. То, что преимущества антоцианов были наиболее очевидными для стеблей, обращенных на запад, только утром, а для стеблей, обращенных на восток, только днем, свидетельствует о том, что антоцианы способствуют фотозащите PSII в большей степени при насыщенном рассеянном свете, чем при прямом.
Индукция биосинтеза антоцианов обычно, хотя и не всегда, требует воздействия света. Кратковременного воздействия видимого и/или ультрафиолетового излучения достаточно, чтобы индуцировать антоцианы у многих видов, в то время как длительное воздействие может дополнительно увеличить выработку антоцианинов. Стебли C. stolonifera с горизонтальными штрихами были посажены в плодородную почву и регулярно орошались, и поэтому представляется вероятным, что темно-красный цвет, был реакцией на повышенные уровня излучения, а не на другие абиотические стрессоры. Горизонтальные стебли получают большую часть падающего солнечного света в течение большей части дня, чем вертикальные, что объясняет, более интенсивную пигментацию стебля. Это потенциально также объясняет, почему естественные отростки стеблей многих других видов несут антоцианины на своих верхних поверхностях, но являются зелеными снизу. Таким образом, по-видимому, существует регулируемый механизм обратной связи, посредством которого восприятие высокого освещения усиливает биосинтез антоцианов в стеблях; это, в свою очередь, защищает кортикальные хлоропласты от неблагоприятных последствий длительного воздействия высокой освещенности. Сильная корреляция между фотозащитным преимуществом и содержанием антоцианов у пяти неродственных видов растений указывает на то, что гипотеза экранирования света для краснопигментированных стеблей имеет широкое применение. Выборка изученных растений включала однолетние, многолетние растения, кустарники и травы, но независимо от различий в толщине междоузлий, анатомии или соотношении хлорофиллов к каротиноидам, фотозащитное действие красного по сравнению с зелеными стеблями варьировалось как линейная функция разности концентраций антоцианов.